Sisteme solare termice

Sistemele solare termice sunt sisteme care utilizează radiația solară ca sursă de energie termică. Diferența lor caracteristică față de alte sisteme de încălzire la temperatură joasă este utilizarea unui element special — helioreceptorul, conceput pentru a capta radiația solară și a o transforma în energie termică.

În funcție de modul de utilizare a radiației solare, sistemele solare de încălzire la temperatură joasă sunt împărțite în pasive și active.

Sistemele pasive de încălzire solară sunt sisteme de încălzire solară în care clădirea însăși sau incintele sale separate (clădire-colector, perete-colector, acoperiș-colector, figura 1) servesc drept element care primește radiația solară și o transformă în căldură.

În sistemele solare pasive, energia solară este utilizată exclusiv prin intermediul soluțiilor arhitecturale și structurale ale clădirilor.

Într-un sistem solar pasiv de încălzire a clădirii cu colector cu temperatură scăzută, radiația solară care pătrunde prin deschiderile de lumină în cameră este prinsă într-o capcană de căldură. Radiația solară de undă scurtă trece liber prin geamul ferestrei și lovește incintele interioare ale camerei, fiind transformată în căldură. Toate radiațiile solare care intră în încăpere sunt transformate în căldură și pot compensa parțial sau integral pierderile de căldură ale acesteia.

Pentru a crește eficiența sistemului clădire-colector, pe fațada sudică sunt amplasate deschideri de lumină de o suprafață mare, echipându-le cu jaluzele, care atunci când sunt închise ar trebui să prevină în perioada întunecată a zilei pierderile cu contra-radiație, iar în perioada caldă în combinație cu alte dispozitive de protecție solară — supraîncălzirea camerei. Suprafețele interioare vor fi vopsite în culori închise.

Sarcina de calcul pentru această metodă de încălzire este de a determina suprafața necesară a deschiderilor de lumină pentru a permite fluxul de radiații solare în cameră, luând în considerare acumularea pentru a compensa pierderile de căldură. De regulă, capacitatea sistemului pasiv clădire-colector este insuficientă în perioada rece și se instalează o sursă suplimentară de căldură în clădire, transformând sistemul într-un sistem combinat. În acest caz, suprafețele economic fezabile ale deschiderilor de lumină și capacitatea sursei suplimentare de căldură sunt determinate prin calcul.

Sistemul solar pasiv de încălzire a aerului la temperatură joasă „perete-colector” include un perete exterior masiv, în fața căruia este instalat la mică distanță un ecran radiant transparent cu lamele. În perete sunt instalate deschideri în formă de fantă cu supape la nivelul podelei și sub tavan. Razele soarelui, care trec prin ecranul translucid, sunt absorbite de suprafața peretelui solid și transformate în căldură, care este transferată prin convecție aerului din spațiul dintre ecran și perete. Aerul este încălzit și urcă prin deschizătura de sub tavan în încăperea care urmează să fie deservită, iar locul său este luat de aerul răcit din încăpere, care intră în spațiul dintre perete și ecran prin deschizătura de la nivelul podelei încăperii. Alimentarea cu aer cald a încăperii este controlată prin deschiderea clapetei. Dacă clapeta este închisă, căldura este stocată în masa peretelui. Această căldură poate fi extrasă prin fluxul de aer convectiv prin deschiderea clapetei pe timp de noapte sau pe vreme înnorată.

La calcularea unui astfel de sistem pasiv de încălzire solară a aerului la temperatură scăzută, se determină suprafața necesară a peretelui. Acest sistem este, de asemenea, dublat de o sursă suplimentară de căldură.

Sistemele solare termice active sunt sisteme solare de încălzire la temperaturi scăzute în care receptorul solar este un dispozitiv independent, separat, care nu face parte din clădire. Sistemele solare active pot fi subdivizate:

• în funcție de destinație (sisteme de alimentare cu apă caldă, sisteme de încălzire, sisteme combinate pentru încălzire și răcire);
• în funcție de tipul de agent termic utilizat (lichid — apă, antigel și aer);
• în funcție de durata de funcționare (pe tot parcursul anului, sezonier);
• în funcție de soluția tehnică a sistemelor (circuit simplu, dublu, multiplu).

Pentru sistemele active de încălzire solară, se utilizează două tipuri de colectoare solare: concentratoare și plate.

Aerul este un mediu de transfer termic larg răspândit, care nu îngheață în întreaga gamă de parametri de funcționare. Atunci când este utilizat ca mediu de transfer termic, este posibilă combinarea sistemelor de încălzire cu sistemele de ventilație. Cu toate acestea, aerul este un purtător de căldură cu capacitate termică redusă, ceea ce duce la o creștere a consumului de metal pentru dispozitivul sistemelor de încălzire cu aer, comparativ cu sistemele cu apă. Apa este un purtător de căldură cu capacitate termică mare și disponibil pe scară largă. Cu toate acestea, la temperaturi sub 0 ◦ C, trebuie adăugate lichide care nu îngheață. În plus, trebuie luat în considerare faptul că apa saturată cu oxigen provoacă coroziunea conductelor și a aparatelor. Cu toate acestea, consumul de metal al sistemelor solare de apă este considerabil mai scăzut, ceea ce favorizează în mare măsură aplicarea lor pe scară mai largă.

Sistemele solare sezoniere de apă caldă sunt de obicei cu un singur circuit și funcționează în lunile de vară și de tranziție, în perioadele cu temperaturi exterioare pozitive. Ele pot avea o sursă suplimentară de căldură sau pot renunța la aceasta, în funcție de destinația obiectului care urmează să fie deservit și de condițiile de funcționare.

Sistemul solar de încălzire a apei IED (figura 2) constă dintr-un colector solar și un schimbător de căldură-acumulator. Agentul de răcire (antigel) circulă prin colectorul solar. Agentul de răcire este încălzit în colectorul solar de energia soarelui și apoi cedează energia termică apei prin intermediul schimbătorului de căldură instalat în rezervorul acumulator. Rezervorul de acumulare stochează apa caldă până când este utilizată, deci trebuie să fie bine izolat. În primul circuit, unde este amplasat colectorul solar, se poate utiliza circulația naturală sau forțată a agentului de răcire. În rezervorul de acumulare poate fi instalat un încălzitor-dobluitor electric sau un alt încălzitor automat. În cazul în care temperatura din rezervorul de acumulare scade sub temperatura setată (vreme înnorată îndelungată sau câteva ore de soare iarna), încălzitorul-doubler pornește automat și încălzește apa la temperatura setată.

Sistemele solare pentru încălzirea clădirilor sunt, de obicei, cu două circuite sau, mai des, cu mai multe circuite, iar pentru diferite circuite pot fi utilizați diferiți purtători de căldură (de exemplu, soluții apoase de lichide care nu îngheață în circuitul solar, apă în circuitele intermediare și aer în circuitul consumatorului). Sistemele solare combinate care funcționează tot timpul anului pentru alimentarea cu căldură și frig a clădirilor sunt multicircuit și includ o sursă suplimentară de căldură sub forma unui generator de căldură tradițional care funcționează cu combustibil organic sau a unui transformator de căldură. Schema de principiu a sistemului de alimentare cu căldură solară este prezentată în figura 3. Acesta include trei circuite de circulație:

• primul circuit, format din colectorii solari 1, pompa de circulație 8 și schimbătorul de căldură cu lichid 3;
• al doilea circuit, format din rezervorul acumulator 2, pompa de circulație 8 și schimbătorul de căldură 3
• al treilea circuit format din rezervorul de acumulare 2, pompa de circulație 8 și schimbătorul de căldură apă-aer (calorifer) 5.

Sistemul de încălzire solară funcționează după cum urmează. Purtătorul de căldură (antigelul) din circuitul de primire a căldurii, încălzit în colectoarele solare 1, intră în schimbătorul de căldură 3, unde căldura antigelului este transferată apei care circulă în spațiul intertubular al schimbătorului de căldură 3 sub acțiunea pompei 8 din al doilea circuit. Apa încălzită intră în rezervorul de acumulare 2. Din rezervorul de acumulare, apa este preluată de pompa de alimentare cu apă caldă 8, adusă la temperatura necesară în circuitul dublu 7 și alimentată la sistemul de alimentare cu apă caldă al clădirii. Rezervorul de acumulare este reîncărcat din sistemul de alimentare cu apă. Pentru încălzire, apa din rezervorul de acumulare 2 este furnizată de pompa cu al treilea circuit 8 către caloriferul 5, prin care trece aerul cu ajutorul ventilatorului 9 și, după ce s-a încălzit, este furnizată clădirii 4. În cazul absenței radiației solare sau al lipsei energiei termice produse de colectorii solari, este pornit un cazan dublu 6. Alegerea și dispunerea elementelor sistemului de încălzire solară în fiecare caz specific sunt determinate de factorii climatici, de destinația obiectului, de modul de consum al căldurii, de indicatorii economici.

Figura 4 prezintă schema sistemului de încălzire solară a unei case ecologice eficiente din punct de vedere energetic.

Sistemul utilizează: apă la temperaturi plus și antigel în timpul perioadei de încălzire (circuit solar), apă (al doilea circuit de încălzire a etajului) și aer (al treilea circuit solar de aer) ca mediu de transfer termic.

Un cazan electric este utilizat ca sursă de rezervă, iar un acumulator de 5 m 3 cu o duză de pietricele este utilizat pentru a acumula căldură pentru o zi. Un metru cub de pietricele acumulează o medie de 5 MJ de căldură pe zi.

Sistemele de stocare a căldurii la temperaturi joase acoperă un interval de temperatură de la 30 la 100 ◦C și sunt utilizate în sistemele de încălzire cu aer (30 ◦ C) și apă (30-90 ◦ C) și apă caldă (45-60 ◦ C).

Un sistem de stocare a căldurii conține, de obicei, un rezervor, un material de stocare a căldurii cu ajutorul căruia este stocată și înmagazinată energia termică, schimbătoare de căldură pentru furnizarea și eliminarea căldurii în timpul încărcării și descărcării acumulatorului și izolație termică.

Acumulatoarele pot fi clasificate în funcție de natura proceselor fizice și chimice care au loc în materialele de stocare a căldurii:

1. acumulatori de tip capacitiv, care utilizează capacitatea termică a materialului încălzit (pietricele, apă, soluții apoase de sare etc.)
2. acumulatoare de tranziție de fază a unei substanțe, în care este utilizată căldura de topire (solidificare) a substanței;
3. acumulatoare de energie bazate pe eliberarea și absorbția căldurii în reacții chimice și fotochimice reversibile.

Cele mai răspândite sunt acumulatoarele de căldură de tip capacitiv.

Cantitatea de căldură Q (kJ) care poate fi stocată într-un acumulator de căldură de tip capacitiv este determinată de formula

Cel mai eficient material de acumulare a căldurii în sistemele de alimentare cu căldură solară lichidă este apa. Pentru acumularea sezonieră de căldură este promițătoare utilizarea rezervoarelor subterane, a solului stâncos și a altor formațiuni naturale.

Colectoare solare cu concentrare

Colectoarele helioelectrice cu concentrare sunt oglinzi sferice sau parabolice (figura 5) din metal lustruit, în focarul cărora este amplasat un element receptor de căldură (cazan solar), prin care circulă un agent termic. Apa sau lichidele care nu îngheață sunt utilizate ca agent termic. În cazul în care se utilizează apă ca agent termic, sistemul trebuie golit noaptea și pe vreme rece pentru a preveni înghețul.

Pentru a asigura o eficiență ridicată a procesului de captare și conversie a radiației solare, helioreceptorul de concentrare trebuie să fie orientat în permanență strict spre Soare. În acest scop, helioreceptorul este echipat cu un sistem de urmărire, care include un senzor de orientare către Soare, un bloc electronic de conversie a semnalului, un motor electric cu o cutie de viteze pentru rotirea structurii helioreceptorului în două planuri.

Avantajul sistemelor cu helioreceptoare concentratoare este capacitatea de a produce căldură cu temperatură relativ ridicată (până la 100 ◦ C) și chiar abur. Dezavantajele includ costul ridicat al construcției; necesitatea curățării constante a prafului de pe suprafețele reflectorizante; funcționarea numai în timpul zilei și, prin urmare, necesitatea unor acumulatori de volum mare; și consumul ridicat de energie pentru acționarea sistemului de urmărire solară, proporțional cu energia produsă. Aceste dezavantaje limitează utilizarea pe scară largă a sistemelor active de încălzire solară la temperatură joasă cu helioreceptoare concentratoare. Recent, cele mai comune aplicații pentru sistemele solare de încălzire la temperaturi scăzute sunt colectorii solari cu plăci plate.

Colectori solari cu plăci plate

Un colector solar plat este un schimbător de căldură conceput pentru a încălzi lichide sau gaze folosind energia solară. Domeniul de aplicare al colectoarelor solare plate este reprezentat de sistemele de încălzire rezidențiale și industriale, sistemele de climatizare, sistemele de alimentare cu apă caldă, precum și instalațiile energetice cu fluid de lucru cu punct de fierbere scăzut, care funcționează de obicei conform ciclului Rankine. Colectoarele solare plate (figurile 6 și 7) sunt compuse dintr-un capac din sticlă sau plastic (simplu, dublu, triplu), un panou receptor de căldură vopsit în negru pe partea orientată spre soare, izolație pe partea opusă și o carcasă (metal, plastic, sticlă, lemn).

Orice foaie de metal sau de plastic cu canale pentru agentul de transfer termic poate fi utilizată ca panou termo-receptor. Există două tipuri de panouri termo-receptoare din aluminiu sau oțel: panouri cu țevi și panouri ștanțate (țevi în tablă). Panourile din plastic nu sunt utilizate pe scară largă din cauza duratei lor scurte de viață și a îmbătrânirii rapide sub influența razelor solare, precum și din cauza conductivității termice scăzute. Sub influența radiațiilor solare, panourile receptoare de căldură se încălzesc până la temperaturi cu 70-80 ◦ C mai mari decât temperatura ambiantă, ceea ce duce la o creștere a transferului convectiv de căldură al panoului către mediu și a radiației proprii către cer. Pentru a obține temperaturi mai ridicate ale agentului de răcire, suprafața plăcii este acoperită cu straturi selective din punct de vedere spectral care absorb în mod activ radiația de undă scurtă de la Soare și reduc propria radiație termică în partea de undă lungă a spectrului. Astfel de structuri pe bază de „nichel negru”, „crom negru”, oxid de cupru pe aluminiu, oxid de cupru pe cupru și altele sunt scumpe (costul lor este adesea proporțional cu costul panoului receptor de căldură în sine). O altă modalitate de îmbunătățire a performanțelor colectorilor plați este crearea unui vid între panoul receptor de căldură și izolația transparentă pentru a reduce pierderile de căldură (a patra generație de colectori solari).

Principiul de funcționare al colectorului se bazează pe faptul că acesta percepe radiația solară cu un coeficient de absorbție a luminii solare vizibile suficient de ridicat și are pierderi de căldură relativ scăzute, inclusiv datorită coeficientului de transmisie scăzut al stratului de sticlă translucidă pentru radiația termică la temperatura de funcționare. Este evident că temperatura fluidului termic primit este determinată de bilanțul termic al colectorului. Partea de intrare a bilanțului este reprezentată de fluxul termic al radiației solare, ținând seama de eficiența optică a colectorului; partea de ieșire este determinată de căldura utilă extrasă, de coeficientul total de pierderi de căldură și de diferența dintre temperatura de funcționare și temperatura ambiantă. Perfecțiunea colectorului este determinată de eficiența sa optică și termică.

Eficiența optică η_о arată cât din radiația solară care ajunge pe suprafața vitrată a colectorului este absorbită de suprafața neagră absorbantă și ia în considerare pierderile de energie datorate absorbției în sticlă, reflexiei și diferenței dintre coeficientul de emisie termică al suprafeței absorbante și unitate.

Cel mai simplu colector solar, cu un înveliș translucid din sticlă simplă, izolarea celorlalte suprafețe cu spumă poliuretanică și absorbantul acoperit cu vopsea neagră, are un randament optic de aproximativ 85% și un coeficient de pierderi de căldură de aproximativ 5-6 W/(m 2 — K) (fig. 7). Combinația dintre suprafața radiantă absorbantă plată și țevile (canalele) pentru purtătorul de căldură formează un singur element structural — absorbitorul. Un astfel de colector poate încălzi apa până la 55-60 ◦ C vara la latitudini medii și are o capacitate zilnică de 70-80 litri de apă pe 1 m 2 de suprafață de încălzire.

Pentru a obține temperaturi mai ridicate, se utilizează colectoare realizate din țevi acoperite în vid cu acoperire selectivă (figura 8).

Într-un colector vidat, volumul în care se află suprafața neagră care absoarbe radiația solară este separat de mediul înconjurător printr-un spațiu vidat (fiecare element absorbant este plasat într-un tub de sticlă separat, în interiorul căruia se creează un vid), ceea ce face posibilă eliminarea aproape completă a pierderilor de căldură către mediu datorate conducției și convecției termice. Pierderile prin radiație sunt în mare măsură suprimate prin utilizarea acoperirii selective. Într-un colector de vid, agentul de răcire poate fi încălzit până la 120-150 ◦C. Eficiența unui colector de vid este semnificativ mai mare decât cea a unui colector plat, dar și costurile sunt considerabil mai mari.

Eficiența instalațiilor de energie solară depinde în mare măsură de proprietățile optice ale suprafeței care absoarbe radiația solară. Pentru a minimiza pierderile de energie, este necesar ca, în regiunile vizibile și infraroșu apropiat ale spectrului solar, coeficientul de absorbție al suprafeței să fie cât mai aproape de unitate, iar în regiunea lungimii de undă a radiației termice proprii a suprafeței, coeficientul de reflexie să tindă spre unitate. Astfel, suprafața trebuie să aibă proprietăți selective — să absoarbă bine radiația de undă scurtă și să reflecte bine radiația de undă lungă.

În funcție de tipul de mecanism responsabil pentru selectivitatea proprietăților optice, se disting patru grupe de acoperiri selective:

1. proprietar;
2. acoperiri bistratificate, în care stratul superior are un coeficient de absorbție ridicat în regiunea vizibilă a spectrului și unul scăzut în regiunea infraroșie, iar stratul inferior are un coeficient de reflexie ridicat în regiunea infraroșie;
3. cu microrelief, care oferă efectul dorit;
4. interferență.

Un număr mic de materiale cunoscute au propria lor selectivitate a proprietăților optice, de exemplu W, Cu₂S, HfC.

Cele mai comune sunt straturile selective cu două straturi. Un strat cu un coeficient ridicat de reflexie în regiunea undelor lungi a spectrului, de exemplu cupru, nichel, molibden, argint, aluminiu, este aplicat pe suprafața căreia trebuie să i se confere proprietăți selective. Deasupra acestui strat se aplică un strat transparent în regiunea undelor lungi, dar cu un coeficient ridicat de absorbție în regiunile vizibilă și infraroșu apropiat ale spectrului. Mulți oxizi au astfel de proprietăți.

Selectivitatea suprafeței poate fi asigurată prin factori pur geometrici: rugozitatea suprafeței trebuie să fie mai mare decât lungimea de undă a luminii în regiunile vizibilă și infraroșu apropiat ale spectrului și mai mică decât lungimea de undă corespunzătoare radiației termice proprii a suprafeței. O astfel de suprafață va fi neagră pentru prima dintre aceste regiuni spectrale și oglindă pentru a doua.

Proprietățile selective sunt posedate de suprafețele cu structură dendritică sau poroasă la dimensiuni adecvate ale acelor dendritice sau ale porilor.

Suprafețele selective prin interferență sunt formate din mai multe straturi intercalate de metal și dielectric în care radiația de undă scurtă este amortizată prin interferență, iar radiația de undă lungă este reflectată liber.

Scara de utilizare a sistemelor solare termice

Conform IEA, la sfârșitul anului 2001, suprafața totală instalată a colectoarelor în cele mai active 26 de țări era de aproximativ 100 milioane m 2 , din care 27,7 milioane m 2 erau colectoare fără geamuri, utilizate în principal pentru încălzirea piscinelor. Restul, colectoare cu geamuri plate și colectoare cu tuburi vidate, au fost utilizate pentru producerea de apă caldă menajeră sau pentru încălzirea spațiilor. Israel (608 m 2 ), Grecia (298) și Austria (220) conduc în ceea ce privește numărul de colectoare instalate la 1000 de locuitori. Turcia, Japonia, Australia, Danemarca și Germania urmează cu o suprafață specifică de colectoare instalate de 118-45 m 2 /1000 locuitori.

Suprafața totală a colectoarelor solare instalate până la sfârșitul anului 2004 a atins 13,96 milioane m2 în țările UE și a depășit deja 150 milioane m2 la nivel mondial. Creșterea anuală a suprafeței colectoarelor solare în Europa este în medie de 12%, iar în unele țări este de 28-30% sau mai mult. Liderul mondial în ceea ce privește numărul de colectoare la mia de locuitori este Cipru, unde 90% din case sunt echipate cu instalații solare (615,7 m 2 de colectoare solare la mia de locuitori), urmat de Israel, Grecia și Austria. Liderul absolut în ceea ce privește suprafața instalată de colectoare în Europa este Germania — 47%, urmată de Grecia — 14%, Austria — 12%, Spania — 6%, Italia — 4%, Franța — 3%. Țările europene sunt lideri incontestabili în dezvoltarea de noi tehnologii solare termice, dar sunt cu mult în urma Chinei în ceea ce privește punerea în funcțiune a noilor instalații solare.

Din suprafața totală a colectoarelor solare instalate în lume în 2004, 78% au fost instalate în China. Piața DEI din China a crescut recent cu o rată anuală de 28%.

În 2007, suprafața totală a colectoarelor solare instalate la nivel mondial era deja de 200 milioane m2 , inclusiv peste 20 milioane m2 în Europa.

În prezent, pe piața mondială, costul IED (figura 9), care include un colector cu o suprafață de 5-6 m 2 , un rezervor de acumulare cu o capacitate de aproximativ 300 de litri și accesoriile necesare, este de 300-400 USD pe 1 m 2 de colector. Astfel de sisteme sunt instalate în principal în case individuale cu una sau două familii și au un încălzitor de rezervă (electric sau pe gaz). Dacă rezervorul de acumulare este instalat deasupra colectorului, sistemul poate funcționa pe baza circulației naturale (principiul termosifonului); dacă rezervorul de acumulare este instalat în subsol — pe baza circulației forțate.

În practica mondială, cele mai răspândite sunt sistemele mici de alimentare cu căldură solară. De regulă, astfel de sisteme includ colectoare solare cu o suprafață totală de 2-8 m 2 , rezervor de acumulare, a cărui capacitate este determinată de suprafața colectoarelor instalate, pompă de circulație (în funcție de tipul de schemă termică) și alte echipamente auxiliare.

Sistemele active de dimensiuni mari, în care rezervorul de acumulare este amplasat sub colectoare, iar agentul de răcire este circulat cu ajutorul unei pompe, sunt utilizate pentru furnizarea de apă caldă și încălzire. De regulă, sistemele active care sunt implicate în acoperirea unei părți din sarcina de încălzire au o sursă de căldură duplicată alimentată cu energie electrică sau gaz.

Un fenomen relativ nou în practica încălzirii solare este reprezentat de sistemele mari care pot satisface nevoile de apă caldă și încălzire ale blocurilor de apartamente sau ale unor cartiere întregi. Astfel de sisteme au o acumulare zilnică sau sezonieră a căldurii. Acumularea zilnică presupune posibilitatea funcționării sistemului cu consum de căldură acumulată pe parcursul mai multor zile, iar acumularea sezonieră — pe parcursul mai multor luni. Pentru acumularea sezonieră a căldurii se folosesc rezervoare subterane mari, umplute cu apă, în care se evacuează toată căldura în exces primită de la colectoare în timpul verii. O altă variantă de acumulare sezonieră este încălzirea solului prin intermediul unor foraje cu țevi prin care circulă apa caldă de la colectoare.

Tabelul 1 prezintă principalii parametri ai sistemelor solare mari cu acumulare zilnică și sezonieră de căldură în comparație cu un sistem solar mic pentru o casă unifamilială.

În prezent, în Europa funcționează 10 sisteme solare termice cu suprafețe ale colectorilor între 2400 și 8040 m 2 , 22 de sisteme cu suprafețe ale colectorilor între 1000 și 1250 m 2 și 25 de sisteme cu suprafețe ale colectorilor între 500 și 1000 m 2 . Caracteristicile unora dintre cele mai mari sisteme sunt rezumate mai jos.

Hamburg (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 14800 m 2 . Suprafața colectoarelor solare — 3000 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură cu apă — 4500 m 3 .

Fridrichshafen (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 33000 m 2 . Suprafața colectoarelor solare — 4050 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură cu apă — 12000 m 3 .

Ulm-am-Neckar (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 25000 m 2 . Suprafața colectoarelor solare — 5300 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură din sol — 63400 m 3 .

Rostock (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 7000 m 2 . Suprafața colectoarelor solare — 1000 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură din sol — 20000 m 3 .

Hemnitz (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 4680 m 2 . Suprafața colectoarelor solare cu vid — 540 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură cu apă subterană — 8000 m 3 .

Attenkirchen (Germania). Suprafața spațiilor încălzite — 4500 m 2 . Suprafața colectoarelor solare cu vid — 800 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură din sol — 9850 m 3 .

Saro (Suedia). Sistemul este format din 10 case mici cu 48 de apartamente. Suprafața colectoarelor solare este de 740 m 2 . Volumul acumulatorului de căldură cu apă este de 640 m 3 . Sistemul solar acoperă 35 % din sarcina termică totală a sistemului de încălzire.

În prezent, în Rusia există mai multe companii care produc colectoare solare adecvate pentru o funcționare fiabilă. Principalele sunt Uzina Mecanică Kovrov, NPO Mashinostroenie și ZAO ALTEN.

Colectorii de la Uzina Mecanică Kovrov (figura 10), care nu au acoperire selectivă, sunt ieftini și simpli ca design și sunt orientați în principal către piața internă. Mai mult de 1 500 de colectoare de acest tip sunt instalate în prezent în Krasnodar Krai.

Colectorul NPO Mashinostroeniya este apropiat de standardele europene în ceea ce privește caracteristicile. Absorbitorul colectorului este fabricat din aliaj de aluminiu cu acoperire selectivă și este proiectat în principal pentru a funcționa în sisteme de alimentare cu căldură cu două circuite, deoarece contactul direct al apei cu aliajele de aluminiu poate duce la coroziunea prin pitting a canalelor prin care trece purtătorul de căldură.

Colectorul ALTEN-1 are un design complet nou și respectă standardele europene, putând fi utilizat atât în sisteme de alimentare cu căldură cu un singur circuit, cât și cu două circuite. Colectorul se caracterizează prin performanță termică ridicată, gamă largă de aplicații posibile, greutate redusă și design atractiv.

Experiența de exploatare a instalațiilor bazate pe colectoare solare a evidențiat o serie de dezavantaje ale acestor sisteme. În primul rând, este vorba de costul ridicat al colectorilor asociat cu acoperiri selective, creșterea transparenței geamurilor, vidanjarea etc. Un dezavantaj semnificativ este necesitatea curățării frecvente a sticlei de praf, ceea ce exclude practic utilizarea colectorilor în zonele industriale. În timpul funcționării pe termen lung a colectoarelor solare, în special în condiții de iarnă, există o defecțiune frecventă din cauza extinderii inegale a zonelor iluminate și întunecate ale geamului din cauza încălcării integrității geamului. Există, de asemenea, un procent mare de defecțiuni ale colectorilor în timpul transportului și instalării. Un dezavantaj semnificativ al funcționării sistemelor cu colectoare este, de asemenea, neuniformitatea încărcării pe parcursul anului și al zilei. Experiența funcționării colectoarelor în condițiile din Europa și din partea europeană a Rusiei, cu o pondere ridicată a radiației difuze (până la 50%), a arătat imposibilitatea creării unui sistem autonom de furnizare a apei calde și de încălzire pe tot parcursul anului. Toate sistemele solare cu colectoare solare la latitudini medii necesită rezervoare de stocare de volum mare și includerea unei surse suplimentare de energie în sistem, ceea ce reduce efectul economic al aplicării lor. În acest sens, este mai indicat să se utilizeze în zonele cu intensitate ridicată a radiației solare (cel puțin 300 W/m 2 ).

Utilizarea eficientă a energiei solare

În clădirile rezidențiale și de birouri, energia solară este utilizată în principal sub formă de căldură pentru a satisface nevoile de alimentare cu apă caldă, încălzire, răcire, ventilație, uscare etc.

Din punct de vedere economic, utilizarea căldurii solare este mai favorabilă pentru sistemele de alimentare cu apă caldă și pentru sistemele de încălzire a apei apropiate de acestea din punct de vedere tehnic (piscine, dispozitive industriale). Alimentarea cu apă caldă este necesară în orice clădire rezidențială și, întrucât cererea de apă caldă variază relativ puțin pe parcursul anului, eficiența acestor instalații este ridicată și acestea se amortizează rapid.

În ceea ce privește instalațiile de încălzire solară, perioada de utilizare pe parcursul anului este scurtă, în timpul perioadei de încălzire intensitatea radiației solare este scăzută și, în consecință, suprafața colectorului este mult mai mare decât în cazul instalațiilor de apă caldă, iar eficiența economică este mai scăzută. Este obișnuită combinarea sistemelor de încălzire solară și de apă caldă în proiectare.

În cazul sistemelor de răcire solară, perioada de funcționare este și mai scurtă (trei luni de vară), ceea ce duce la perioade lungi de inactivitate și rate de utilizare foarte scăzute. Dat fiind costul ridicat al echipamentelor de răcire, eficiența economică a sistemelor devine minimă.

Rata anuală de utilizare a echipamentelor din sistemele combinate de încălzire și răcire (apă caldă, încălzire și răcire) este cea mai ridicată, iar aceste sisteme sunt la prima vedere mai rentabile decât sistemele combinate de încălzire și apă caldă. Cu toate acestea, dacă se ia în considerare costul colectorilor solari și al mecanismelor necesare sistemului de răcire, se pare că astfel de instalații solare vor fi foarte scumpe și cu greu viabile din punct de vedere economic.

Pentru sistemele de încălzire solară ar trebui utilizate sisteme pasive pentru a crește izolarea termică a clădirii și pentru a utiliza eficient radiația solară care intră prin deschiderile ferestrelor. Problema izolării termice ar trebui rezolvată pe baza elementelor arhitecturale și structurale, folosind materiale și structuri cu un nivel scăzut de conducție a căldurii. Se recomandă compensarea căldurii lipsă prin intermediul sistemelor solare active.

Caracteristicile economice ale colectoarelor solare

Principala problemă a utilizării pe scară largă a instalațiilor solare este legată de eficiența lor economică insuficientă în comparație cu sistemele tradiționale de alimentare cu energie termică. Costul energiei termice în instalațiile cu colectoare solare este mai mare decât în instalațiile cu combustibili tradiționali. Perioada de amortizare a unei instalații solare termice T_ок poate fi determinată prin formula:

Efectul economic al instalării de colectoare solare în zonele centralizate de aprovizionare cu energie E poate fi definit ca venitul din vânzarea de energie pe durata de viață a instalației minus costurile de exploatare:

Tabelul 2 prezintă un cost al sistemelor de încălzire solară (în prețuri din 1995). Datele arată că dezvoltările interne sunt de 2,5-3 ori mai ieftine decât cele străine.

Prețul scăzut al sistemelor naționale se explică prin faptul că acestea sunt realizate din materiale ieftine, au un design simplu și sunt orientate către piața internă.

Efectul economic specific (E/S) în zona de încălzire urbană, în funcție de durata de viață a colectoarelor, variază între 200 și 800 RUB/m 2 .

Instalațiile de alimentare cu energie termică cu colectori solari au un efect economic mult mai mare în regiunile îndepărtate de rețelele electrice centralizate, care în Rusia reprezintă peste 70% din teritoriul său, cu o populație de aproximativ 22 de milioane de persoane. Aceste instalații sunt concepute pentru a funcționa în mod autonom pentru consumatorii individuali, unde nevoile de energie termică sunt destul de semnificative. În același timp, costul combustibililor tradiționali este mult mai mare decât costul acestora în zonele de alimentare cu încălzire urbană din cauza costurilor de transport și a pierderilor de combustibil în timpul transportului, adică costul combustibilului în regiunea Ts_тр include un factor regional r_р:

unde r_р > 1 și își poate schimba valoarea pentru diferite regiuni. În același timp, costul unitar al instalației C este aproape neschimbat în comparație cu C_тр. Prin urmare, atunci când se înlocuiește C_т cu C_тр în formule

perioada de amortizare calculată a instalațiilor autonome în zonele îndepărtate de rețelele centralizate scade cu r_р ori, în timp ce efectul economic crește proporțional cu r_р.

În condițiile actuale din Rusia, când prețurile la energie sunt în continuă creștere și nu sunt uniforme între regiuni din cauza condițiilor de transport, decizia privind fezabilitatea economică a utilizării colectoarelor solare depinde în mare măsură de condițiile socio-economice, geografice și climatice locale.

Sistemul solar-geotermal de alimentare cu căldură

Din punctul de vedere al furnizării neîntrerupte de energie către consumator, sistemele tehnologice combinate care utilizează două sau mai multe tipuri de SER sunt cele mai eficiente.

Energia termică solară poate acoperi integral necesarul de apă caldă al unei locuințe în timpul verii. În perioada toamnă-primăvară, până la 30% din energia necesară pentru încălzire și până la 60% din necesarul de apă caldă pot fi obținute de la soare.

În ultimii ani, au fost dezvoltate în mod activ sisteme de alimentare cu căldură geotermală bazate pe pompe de căldură. În astfel de sisteme, după cum s-a menționat anterior, apa termală sau energia petrotermală cu potențial scăzut (20-40 ◦ C) din straturile superioare ale scoarței terestre este utilizată ca sursă primară de căldură. Atunci când se utilizează căldura subterană, se folosesc schimbătoare de căldură subterane, amplasate fie în foraje verticale de 100-300 de metri adâncime, fie orizontal, la o anumită adâncime.

Pentru a furniza în mod eficient căldură și apă caldă consumatorilor descentralizați de capacitate mică, a fost dezvoltat un sistem combinat solar-geotermal la IPG DNC RAS (figura 11).

Un astfel de sistem constă în colectorul solar 1, schimbătorul de căldură 2, rezervorul de acumulare 3, pompa de căldură 7 și puțul schimbătorului de căldură 8. Agentul de răcire (antigel) circulă prin colectorul solar. Agentul de răcire este încălzit în colectorul solar de energia soarelui și apoi cedează energia termică apei prin schimbătorul de căldură 2, montat în rezervorul de acumulare 3. Rezervorul de acumulare stochează apa caldă până când este utilizată, de aceea trebuie să fie bine izolat. În primul circuit, unde este amplasat colectorul solar, se poate utiliza circulația naturală sau forțată a agentului de răcire. De asemenea, în rezervorul de acumulare este instalat un încălzitor electric 6. În cazul în care temperatura din rezervorul de acumulare scade sub temperatura setată (vreme înnorată prelungită sau câteva ore de soare iarna), încălzitorul electric este pornit automat și încălzește apa până la temperatura setată.

Colectorul solar funcționează pe tot parcursul anului și furnizează apă caldă consumatorului, în timp ce sistemul de încălzire prin pardoseală cu temperatură joasă, prevăzut cu o pompă de căldură și un puț de schimb de căldură adânc de 100-200 de metri, este pus în funcțiune numai în timpul sezonului de încălzire.

În ciclul TH, apa rece cu o temperatură de 5 ◦ C coboară în spațiul intertubular al puțului schimbător de căldură și extrage căldura cu potențial scăzut din roca înconjurătoare. Apa încălzită la o temperatură de 10-15 ◦ C, în funcție de adâncimea sondei, urcă apoi la suprafață prin șirul central de conducte. Pentru a preveni refluxul de căldură, șirul central de conducte este izolat termic din exterior. La suprafață, apa din foraj intră în evaporatorul TH, unde agentul de lucru cu punct de fierbere scăzut este încălzit și evaporat. După evaporator, apa răcită este trimisă înapoi în puț. În timpul perioadei de încălzire, cu o circulație constantă a apei în sondă, are loc o răcire treptată a rocii din jurul sondei.

Studiile de calcul arată că raza frontului de răcire în timpul perioadei de încălzire poate ajunge la 5-7 metri. În timpul perioadei de neîncălzire, când sistemul de încălzire este oprit, are loc o refacere parțială (până la 70 %) a câmpului de temperatură din jurul sondei datorită afluxului de căldură din rocile din afara zonei de răcire; nu este posibilă refacerea completă a câmpului de temperatură din jurul sondei în timpul perioadei de inactivitate a acesteia.

Colectorii solari sunt instalați pentru perioada de iarnă a funcționării sistemului, când expunerea la soare este minimă. În timpul perioadei de vară, o parte din apa caldă din rezervorul de acumulare este trimisă în puț pentru recuperarea completă a temperaturii în roca din jurul puțului.

În perioada fără încălzire, supapele 13 și 14 sunt închise, iar cu supapele 15 și 16 deschise, apa caldă din rezervorul de acumulare este pompată de pompa de circulație în spațiul intertubular al sondei, unde are loc schimbul de căldură cu roca din jurul sondei pe măsură ce coboară. Apa răcită este apoi trimisă înapoi în rezervorul de acumulare prin intermediul unei coloane centrale izolate. În timpul perioadei de încălzire, în schimb, supapele 13 și 14 sunt deschise, iar supapele 15 și 16 sunt închise.

În sistemul tehnologic propus, potențialul energiei solare este utilizat pentru încălzirea apei în sistemul de alimentare cu apă caldă și a rocilor din jurul puțului în sistemul de încălzire la temperatură scăzută. Regenerarea căldurii în rocă permite funcționarea sistemului de alimentare cu căldură într-un mod optim din punct de vedere economic.

Centrale termice solare

Soarele este o sursă importantă de energie pe planeta Pământ. Energia solară este foarte des subiectul unei game largi de discuții. De îndată ce apare un proiect pentru o nouă centrală solară, apar întrebări privind eficiența, capacitatea, volumul investițiilor și perioadele de amortizare.

Există oameni de știință care consideră centralele termice solare drept o amenințare la adresa mediului. Oglinzile utilizate în centralele termice solare încălzesc foarte mult aerul, ducând la schimbări climatice și la moartea păsărilor care zboară pe lângă ele. În ciuda acestui fapt, centralele solare termice au devenit din ce în ce mai frecvente în ultimii ani. În 1984, prima centrală solară a devenit operațională în apropierea orașului californian Cramer Junction din deșertul Mojab (figura 6.1). Centrala a fost denumită Solar Energy Generating System, sau SEGS pe scurt.

În această centrală, radiația solară este utilizată pentru a genera abur, care rotește o turbină și generează electricitate. Generarea energiei termice solare la scară largă este destul de competitivă. În prezent, companiile de utilități din SUA au construit deja centrale termice solare cu o capacitate instalată totală de peste 400 MW, furnizând energie electrică pentru 350 000 de persoane și înlocuind 2,3 milioane de barili de petrol pe an. Nouă centrale electrice situate în deșertul Mojab au o capacitate instalată de 354 MW. În alte părți ale lumii, proiectele de utilizare a căldurii solare pentru generarea de electricitate urmează, de asemenea, să înceapă în curând. India, Egipt, Maroc și Mexic dezvoltă programe în acest sens. Subvențiile pentru finanțarea acestora sunt oferite de Fondul Global de Mediu (GEF). În Grecia, Spania și SUA, producătorii independenți de energie electrică dezvoltă noi proiecte.

În funcție de metoda de generare a căldurii, centralele termice solare se împart în concentratoare solare (oglinzi) și iazuri solare.

Concentratoare solare

Centralele solare termice concentrează energia solară folosind lentile și reflectoare. Deoarece această căldură poate fi stocată, aceste centrale pot genera electricitate în funcție de necesități, ziua sau noaptea, pe orice vreme. Oglinzi de mari dimensiuni — fie focalizate punctual, fie în linie — concentrează razele soarelui până la punctul în care apa se transformă în vapori, eliberând suficientă energie pentru a învârti o turbină. Aceste sisteme pot transforma energia solară în electricitate cu un randament de aproximativ 15 %. Toate centralele termice, cu excepția iazurilor solare, utilizează concentratoare pentru a atinge temperaturi ridicate, care reflectă lumina soarelui de pe o suprafață mai mare pe o suprafață receptoare mai mică. De obicei, un astfel de sistem constă dintr-un concentrator, un receptor, un mediu de transfer de căldură, un sistem de stocare și un sistem de transfer de energie. Tehnologiile actuale includ concentratoarele parabolice, oglinzile solare parabolice și centralele solare de tip turn. Acestea pot fi combinate cu instalațiile de ardere a combustibililor fosili și, în unele cazuri, adaptate pentru stocarea căldurii. Principalul avantaj al unei astfel de hibridizări și al stocării termice este că această tehnologie poate asigura producerea de energie electrică dispecerizabilă, adică energia electrică poate fi produsă în momentul în care este necesară. Hibridizarea și stocarea căldurii pot crește valoarea economică a energiei electrice produse și pot reduce costul mediu al acesteia.

Centrale solare cu un concentrator parabolic

Unele centrale solare termice utilizează oglinzi parabolice care concentrează lumina soarelui pe tuburi receptoare care conțin un fluid de transfer termic. Acest fluid este încălzit la aproape 400 ºC și pompat printr-o serie de schimbătoare de căldură; astfel se produce abur supraîncălzit care antrenează o turbină generatoare convențională pentru a produce electricitate. Pentru a reduce pierderile de căldură, tubul receptor poate fi înconjurat de un tub de sticlă transparentă plasat de-a lungul liniei focale a cilindrului. De obicei, astfel de instalații includ sisteme de urmărire a soarelui cu o singură axă sau biaxial. În cazuri rare, acestea sunt staționare (fig. 6.2).

Evaluările acestei tehnologii arată un cost mai ridicat al energiei electrice generate decât alte centrale termice solare. Acest lucru se datorează concentrației scăzute a radiației solare, temperaturilor mai scăzute. Cu toate acestea, odată cu acumularea de experiență operațională, îmbunătățirea tehnologiei și scăderea costurilor de exploatare, concentratoarele parabolice pot fi cea mai puțin costisitoare și mai fiabilă tehnologie din viitorul apropiat.

Centrala solară de tip placă

Centralele solare de tip placă sunt o baterie de oglinzi parabolice similare ca formă cu o antenă parabolică de satelit care concentrează energia solară pe receptoare situate în punctul focal al fiecărei antene (figura 6.3). Fluidul din receptor este încălzit la 1000 ºC și este aplicat direct pentru a produce electricitate într-un motor mic și un generator conectat la receptor.

Eficiența optică ridicată și costurile inițiale reduse fac din sistemele oglindă/motor cele mai eficiente dintre toate tehnologiile solare. Motorul Stirling și sistemul de oglinzi parabolice dețin recordul mondial pentru eficiența conversiei energiei solare în electricitate. În 1984, un randament practic de 29 % a fost atins la Rancho Mirage în California. Datorită concepției lor modulare, aceste sisteme reprezintă cea mai bună opțiune pentru satisfacerea nevoilor de energie electrică atât ale consumatorilor autonomi, cât și ale consumatorilor hibrizi care lucrează pentru rețeaua generală.

Centrale solare de tip turn

Centrale solare de tip turn cu receptori centrali Centralele solare de tip turn cu receptori centrali utilizează un câmp rotativ de heliostatice reflectorizante. Acestea focalizează lumina solară pe un receptor central construit în vârful turnului, care absoarbe energia termică și antrenează un generator cu turbină (fig. 6.4, fig. 6.5).

Un sistem de urmărire biaxial controlat de calculator reglează heliostatele astfel încât lumina solară reflectată să fie staționară și să cadă întotdeauna pe receptor. Fluidul care circulă în receptor transferă căldura către un acumulator termic sub formă de abur. Aburul face să funcționeze o turbină pentru a genera electricitate sau este utilizat direct în procesele industriale. Temperaturile la nivelul receptorului ating între 500 și 1500 ºC. Stocarea căldurii a făcut din centralele cu turn o tehnologie solară unică, permițând generarea de electricitate după un program prestabilit.

Iazuri solare

Nici oglinzile de focalizare, nici celulele solare nu pot genera energie pe timp de noapte. În acest scop, energia solară acumulată în timpul zilei trebuie să fie stocată în rezervoare de stocare a căldurii. Acest proces are loc în mod natural în așa-numitele iazuri solare (Fig. 6.6).

Iazurile solare au o concentrație ridicată de sare în straturile inferioare ale apei, un strat intermediar de apă neconvectiv în care concentrația de sare crește cu adâncimea și un strat convectiv cu o concentrație scăzută de sare la suprafață. Lumina soarelui cade pe suprafața iazului, iar căldura este reținută în straturile inferioare ale apei din cauza concentrației ridicate de sare. Apa cu salinitate ridicată, încălzită de energia solară absorbită de fundul iazului, nu se poate ridica din cauza densității sale ridicate. Ea rămâne pe fundul iazului, încălzindu-se treptat până aproape de fierbere. „Saramura” fierbinte de pe fundul iazului este utilizată zi și noapte ca sursă de căldură, astfel încât o turbină specială cu un purtător de căldură organic poate produce electricitate. Stratul intermediar al iazului solar acționează ca o izolație termică, împiedicând convecția și pierderea de căldură de la fund la suprafață. Diferența de temperatură dintre fundul și suprafața apei din iaz este suficientă pentru a acționa generatorul. Fluidul de transfer termic care trece prin stratul inferior de apă este apoi introdus într-un sistem Rankine închis în care se rotește o turbină pentru a produce energie electrică.

Avantaje și dezavantaje ale centralelor termice solare

Centralele solare de tip turn cu un receptor central și centralele solare cu concentrator parabolic funcționează optim ca parte a unor centrale electrice mari, conectate la rețea, cu o capacitate de 30-200 MW, în timp ce centralele solare de tip farfurie sunt formate din module și pot fi utilizate atât în instalații independente, cât și în grupuri cu o capacitate totală de câțiva megawați.

Concentratoarele solare parabolice sunt în prezent cele mai dezvoltate tehnologii de energie solară și sunt cele care vor fi probabil utilizate în viitorul apropiat. Centralele de tip turn cu un receptor central, datorită capacității lor eficiente de stocare a căldurii, pot deveni, de asemenea, centralele solare ale viitorului nu prea îndepărtat. Caracterul modular al centralelor de tip platou permite utilizarea acestora în instalații mai mici. Centralele solare de tip turn cu receptor central și centralele de tip platan permit obținerea unor valori mai ridicate ale randamentului conversiei energiei solare în energie electrică la un cost mai scăzut decât centralele cu concentratoare solare parabolice. Tabelul 6.1 sintetizează principalele caracteristici ale celor trei opțiuni de producere a energiei termice solare.